分散碳纳米管剥离单层石墨烯材料的模拟计算方法技术

本发明专利技术涉及一种分散碳纳米管剥离单层石墨烯材料的模拟计算方法，属于微纳米材料分散剥离技术和生产工艺设计模拟计算技术领域。包括以下步骤：步骤一：基于研磨球珠在研磨腔体内高速离心运动，球珠之间相互撞击摩擦剪切的运动轨迹建立数学模型；步骤二：根据模型演算，离心摩擦剪切强度

【技术实现步骤摘要】
分散碳纳米管剥离单层石墨烯材料的模拟计算方法
本专利技术涉及一种分散碳纳米管剥离单层石墨烯材料的模拟计算方法，属于微纳米材料分散剥离技术和生产工艺设计模拟计算

技术介绍
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格排列构成的单原子厚二维碳材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管状一维碳材料。石墨烯被认为是碳纳米管、石墨的基本结构单元。石墨烯碳纳米管都拥有超高的比表面积，超高的导电、导热性质，在导电薄膜、导电油墨、防腐涂料、锂电池、太阳能电池、超级电容器和传感器等领域有着广泛的应用前景。从微观角度看，通过物理摩擦剥离手段，单层石墨烯可以从石墨片层中剥离出来。根据石墨片层之间相互链接的范德华作用力，单层石墨片被撕裂的强度极限阀值∑P＝650.14GPa，具体参见ZLiu,etal.,ActaMecheanicaSinica,2012,28(4):978。而碳纳米管作为一维碳纳米材料，存在微纳米尺度的强团聚效应和纤维状一维材料的交结纠缠现象。为此，剥离石墨烯、分散碳纳米管的主要方法通常是研磨、球磨或砂磨等，需要耗费大量人力和物力进行工艺探索，找出研磨设备的各种参数与球珠、分散物料的性状等多因素的复杂关系，才能实现剥离石墨烯和分散碳纳米管；但是剥离和分散效果并不稳定。工艺参数发生变化，剥离和分散的效果相差甚远。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种分散碳纳米管剥离单层石墨烯材料的模拟计算方法，大大降低了研发生产需要投入的人力物力成本，能够优化剥离出高质量的单层石墨烯和分散均一的碳纳米管分散液。本专利技术所述的分散碳纳米管剥离单层石墨烯材料的模拟计算方法，包括以下步骤：步骤一：基于研磨球珠在研磨腔体内高速离心运动，球珠之间相互撞击摩擦剪切的运动轨迹建立数学模型；步骤二：根据模型演算，离心摩擦剪切强度其中m总为球珠的总质量，v为球珠离心运动时的线速度，R为研磨腔体的半径，r为球珠的半径。进一步优选地，还包括步骤三：根据模型推演球珠之间的运动盲区，即分散极限区的分散极限长度进一步优选地，步骤三演算可知，分散极限区的分散极限长度与研磨球珠的半径成正比；当研磨球珠的直径小于等于1.2μm时，可以形成石墨烯碳纳米管等材料的纳米级分散，形成均一稳定的纳米分散液。本专利技术主要提供的模拟计算方法是基于研磨球珠在研磨腔体内高速离心运动，球珠之间相互撞击摩擦剪切来实现单层石墨烯的剥离和碳纳米管的分散。球珠之间相互撞击摩擦的数学模型。球珠之间相互撞击摩擦剪切强度∑P的演算推理如下：R＞＞r，S球＝4πr2，F1为球珠1的离心力，F2为球珠2的离心力，m球为球珠的质量，v为球珠离心运动时的线速度，R为研磨腔体的半径，r为球珠的半径，F差为两球珠之间的摩擦剪切力，S球为球珠的表面积，V球为单个球珠的体积，ρ为球珠的密度，P单为单个球珠之间的摩擦剪切强度，ni为球珠个数，m总为球珠总质量，∑P为球珠之间的总摩擦剪切强度。根据上述模拟计算公式的演算，球珠之间相互撞击摩擦剪切强度与研磨腔体的半径的平方成反比，与球珠的总质量成正比，与球珠的半径成反比，与研磨的线速度的平方呈正比。单层石墨片被撕裂的强度极限阀值∑P＝650.14GPa，根据数学模型演算：时，当摩擦剪切强度达到石墨片层剥离强度的极限阀值∑P＝650.14GPa，石墨片层被剥离开，从而形成单层的石墨烯分散液。根据数学模型演算：时，摩擦剪切强度小于石墨片层剥离强度的极限阀值∑P＝650.14GPa，碳纳米管表层石墨片层结构不被剥离，可以很好地被均一分散，形成均一的碳纳米管分散液。按照研磨效率和研磨要求，m总＝60％～70％*L*πR2*ρ；其中L为研磨腔体的长度，R为研磨腔体的半径，ρ为球珠的密度。研磨过程中，涉及到很多工艺参数，都需要很好地进行平衡和控制，才能实现剥离石墨烯和分散碳纳米管，现在，主要通过投入大量的人力物力，进行大量的工艺探索，不停反复地对研磨设备的各种参数，包括研磨腔体内腔体积、研磨球珠直径、研磨球珠质量、研磨速度以及分散物料，记录实验后剥离效果和分散效果，并由此确定生产工艺参数。确定工艺参数后，需要严格控制工艺参数，才能实现剥离石墨烯和分散碳纳米管，工艺参数发生变化，剥离和分散的效果相差甚远。生产工艺复杂，生产成本高昂，生产效果有限。本专利技术通过基于研磨球珠在研磨腔体内高速离心运动，球珠之间相互撞击摩擦剪切的运动轨迹建立数学模型，并根据数学模型演算，通过确定球珠半径，优化剥离出高质量的单层石墨烯和分散均一的碳纳米管分散液；大大简化了工艺参数的确定过程，采用理论与实践相结合的方法，大大降低了研发生产的人力物力成本，稳定了生产效果，并优化提高剥离石墨烯和分散碳纳米管的效果。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术基于研磨球珠在研磨腔体内高速离心运动，球珠之间相互撞击摩擦剪切的运动轨迹建立数学模型，并根据数学模型演算，通过确定球珠半径，优化剥离出高质量的单层石墨烯和分散均一的碳纳米管分散液；2、能够快速准确确定工艺的核心参数，大大降低了研发生产需要投入的人力物力成本，为剥离单层石墨烯分散碳纳米管的工业化生产提供了切实可行的解决方案。附图说明图1是本专利技术球珠在研磨腔体内离心运动产生摩擦剪切的数学模型图；，图2是球珠分散极限区的数学模型图；图3为未分散的碳纳米管粉体的扫描电镜(SEM)图；图4为采用1.4μm球珠分散的碳纳米管的SEM图；图5为采用1.0μm球珠分散的碳纳米管的SEM图；图6为采用0.6μm球珠分散的碳纳米管和石墨片层的SEM图；图7为采用0.3μm球珠分散的碳纳米管和单层石墨烯的SEM图。图1中R为研磨腔体半径；图1中箭头F表示球珠研磨过程中离心力的方向；图1中r1表示球珠1的半径；r2表示球珠2的半径；r3表示球珠3的半径；r4表示球珠4的半径。图2中ABCD分别表示四个球珠接触点。图2中l表示分散极限区的分散极限长度。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案作进一步清楚、完整地描述：实施例1如图1～图2所示，本专利技术所述的本专利技术所述的分散碳纳米管剥离单层石墨烯材料的模拟计算方法，包括以下步骤：步骤一：基于研磨球珠在研磨腔体内高速离心运动，球珠之间相互撞击摩擦剪切的运动轨迹建立数学模型；步骤二：根据模型演算，离心摩擦剪切强度其中m总为球珠的总质量，v为球珠离心运动时的线速度，R为研磨腔体的半径，r为球珠的半径。还包括步骤三：根据模型推演球珠之间的运动盲区，即分散极限区的分散极限长度步骤三演算可知，分散极限区的分散极限长度与研磨球珠的半径成正比；当研磨球珠的直径小于等于1.2μm时，分散极限长度l小于1μm，达到纳米级，可以形成石墨烯碳纳米管等材料的纳米级分散，形成均一稳定的纳米分散液。本专利技术主要提供的模拟计算方法是基于研磨球珠在研磨腔体内高速离心运动，球珠之间相互撞击摩擦剪切来实现单层石墨烯的剥离和碳纳米管的分散。如图1所示，球珠之间相互撞击摩擦的数学模型球珠之间相互撞击摩擦剪切强度∑P的演算推理如下：R＞＞r，S球＝4πr2，F1为球珠1的离心力，F2为球珠2的离心力，m球为球珠的质量，v为球珠离心运动时的线速度，R为研磨腔体的半径，r为球珠的半径，F差为两球珠之间的摩擦剪切本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分散碳纳米管剥离单层石墨烯材料的模拟计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：基于研磨球珠在研磨腔体内高速离心运动，球珠之间相互撞击摩擦剪切的运动轨迹建立数学模型；步骤二：根据模型演算，离心摩擦剪切强度

【技术特征摘要】
1.一种分散碳纳米管剥离单层石墨烯材料的模拟计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：基于研磨球珠在研磨腔体内高速离心运动，球珠之间相互撞击摩擦剪切的运动轨迹建立数学模型；步骤二：根据模型演算，离心摩擦剪切强度其中m总为球珠的总质量，v为球珠离心运动时的线速度，R为研磨腔体的半径，r为球珠的半径。2.根据权利要求1所述的分散碳纳米管剥离单层石墨烯材料的模拟计算方法，其特征在于，还包括步骤三：根据模型推演球珠之间的运动盲区，即分散极限区的分散极限长度3.根据权利要求2所述的分散碳纳米管剥离单层石墨烯材料的模拟计算方法，其特征在于，步骤三演算可知，分散极限区的分散极限长度与研磨球珠的半径成正比；当研磨球珠的直径小于等于1.2μm时，可以形成石墨烯碳纳米管等材料的纳米级分散，形成均一稳定的纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈欣，
申请(专利权)人：陈欣，
类型：发明
国别省市：山东,37